От кварцевого песка до электроэнергии

Как работает технологическая цепочка «Росатома» в ветроэнергетике

Кооперация композитного и ветроэнергетического дивизионов, пожалуй, самый яркий в сфере новых бизнесов пример работы полной технологической цепочки от минерального сырья до конечных изделий и далее девелопмента и эксплуатации ветроэлектростанций. В будущем к этой цепочке добавится цепочка, связанная с переработкой редкоземельных металлов и производством магнитов.

Стекловолокно. Начало

Львиную долю в составе ветролопасти занимают стеклокомпозиты, поэтому первое ключевое звено в цепочке «от сырья до электроэнергии» занимает «Росатом Стекловолокно». Предприятие расположено в городе Гусь-Хрустальном (Владимирская область) — историческом центре российской стекольной промышленности. Стекловолокно на предприятии начали изготавливать еще в 1943 году.

Технологический процесс изготовления стекловолокна начинается с компоновки шихты, состоящей из кварцевого песка, каолина, мела и других составляющих. Все поставляют российские предприятия. Компоненты шихты тщательно перемешиваются в точных пропорциях в соответствии с рецептурой. Затем шихту плавят в стекловаренной печи при температуре около 1600 °С. В процессе варки образуется стекломасса, которую пропускают через фильерные питатели — специальные устройства с большим количеством отверстий. В результате формируются тончайшие стеклянные волокна, которые собирают в единую прядь — стеклоровинг. На его поверхность наносится замасливатель — специальный химический состав, который позволяет легко обращаться с материалом на следующих переделах и, в частности, обеспечивает химическую адгезию к полимерной матрице в композитных материалах. Ровинг сматывают в бухты и сушат, замасливатель во время сушки полимеризуется. Наконец, бухты стеклоровинга, осматривают, упаковывают и отправляют на склад. Из стеклоровинга делают стеклоткани, стеклопластиковые трубы и баллоны, арматуру, стеклонаполненные термопласты и проч.

Нас интересуют стеклоткани, которые выпускают на том же заводе. Каждая партия ткани проходит тщательный контроль по ключевым техническим показателям и отправляется на «Русатом Ветролопасти» в Ульяновск.

Ветролопасти. Сборка

Компания «Русатом Ветролопасти» была создана в июне 2023 года в Ульяновске. За год и четыре месяца команда нашла поставщиков оборудования, организовала производство основных и вспомогательных производственных форм, наладила поставку сырья и материалов, смонтировала и отладила все оборудование и технологию изготовления ветролопастей. В январе 2024 года проверили работоспособность основного оборудования, изготовив у поставщика тестовую лопасть. Отправили ее в сертификационный центр на комплексные испытания по международным стандартам, в декабре того же года они успешно завершились. Тестовая лопасть прошла комплекс испытаний на предельные нагрузки в продольном и поперечном направлениях, а также несколько миллионов циклов изгибающих нагрузок для подтверждения 20-летнего непрерывного срока работы лопасти на ветроустановке. В октябре 2024 года в Ульяновске серийное производство лопастей стартовало. «В структуре Композитного дивизиона это уже 17-й завод, и его запуск означает переход к производству крупногабаритной продукции», — отметил на церемонии открытия гендиректор «Росатома» Алексей Лихачев.

Проектная мощность ульяновского завода — 360 лопастей в год. Длина лопасти — 51 м, вес — 8,6 тонны. Ульяновский завод сможет производить и более длинные модели. В изготовлении используются стекло- и углеткани (на углекомпозиты приходится порядка 10% веса изделия), бальзовое дерево, эпоксидный и полиуретановый клеи и листы из пенополиуретана.

Лопасти делают так: сначала несколько тонн стеклотканей с различной структурой и поверхностными плотностями нарезают и скручивают на автоматизированном раскройном комплексе. В соответствии с чертежами часть идет на наветренную половинку лопасти, остальное — на подветренную, они отличаются геометрически.

Параллельно изготавливают полки лонжеронов. Полка — это полоса из нескольких десятков слоев углеткани, скрепленных полимеризованной эпоксидной смолой, идущая по всей длине каждой из половинок лопасти. Это основной силовой элемент, позволяющий конструкции выдерживать ветровую нагрузку в сотни тысяч килограммов в течение нескольких миллионов циклов изгибающих нагрузок более чем за 20 лет службы. Полки закладываются в оболочки. Вместе со сдвоенными лонжеронами из сэндвича стеклотканей, вспененных матов наполнителя и полимеризованной эпоксидной смолы они формируют пространственную раму, встроенную в тело ветролопасти, несущую все основные нагрузки.

Также параллельно формируют половинки лопастей: в подготовленную форму выкладывают элементы системы молниезащиты, стеклоткани, бальзовое дерево, листы пенополиуретана, элементы крепления лопасти к хабу генератора (гондоле), следом — разветвленный комплекс каналов для подачи и равномерного распределения эпоксидной смолы. Все укрывают несколькими слоями специальной пленки и вакуумируют прецизионными вакуумными насосами. Затем подается подготовленная, смешанная в четких пропорциях дегазированная эпоксидная смола с отвердителем, после чего половинки полимеризуются под температурным контролем системы управления на каждых нескольких квадратных метрах поверхности формы. На одну из половинок уже сформированной поверхности лопасти устанавливают (с помощью специального пространственного кондуктора с вакуумным механизмом удержания) конструкции из собранных вместе стенок лонжеронов, детали примеряют и склеивают. Качество клеевых швов и наиболее важные элементы лопасти проверяют ультразвуковым дефектоскопом.

В собранной лопасти ламинируют клеевые швы, чтобы укрепить их, проверяют геометрические параметры, покрывают шпатлевкой, красят, взвешивают, балансируют и красивую чистую белую лопасть с цветовыми контрастами отправляют на склад готовой продукции и отгружают заказчику.

Ветроэнергетика. Использование

Ветролопасти Композитного дивизиона устанавливают на турбины мощностью 2,5 МВт, которые использует «Росатом Возобновляемая энергия». Ульяновские лопасти заменили датские, производства LM, которые Ветроэнергетический дивизион «Росатома» использовал до того, как компания ушла с российского рынка. Локализация производства не только позволила продолжить строительство ВЭС, у наших лопастей лучше КПД из-за большей длины и более эффективной аэродинамики.

Изготавливаемые лопасти монтируют на ветроустановках Новолакской ВЭС, которую строит «Росатом Возобновляемая энергия» в Кумторкалинском и Новолакском районах Дагестана. Ветропарк станет крупнейшим в России: 120 ветроустановок мощностью 2,5 МВт каждая. Сооружаться и вводиться в эксплуатацию он будет в два этапа. До конца 2025 года заработает 61 ветроустановка совокупной мощностью 152,5 МВт, в 2026 году — 59 ветроустановок совокупной мощностью 147,5 МВт. Планируется, что среднегодовая выработка ветропарка составит 879 млн кВт•час.

Также «Росатом Возобновляемая энергия» выходит на рынки других стран в качестве девелопера полного цикла, поэтому позднее ульяновские лопасти понадобятся для зарубежных ВЭС. Так, в Кыргызстане в 2023 году компания заключила договор поставки электроэнергии, произведенной объектами ВИЭ совокупной мощностью 100 МВт в районе озера Иссык-Куль. Тогда же она заключила предварительный договор поставки электроэнергии, произведенной объектами ВИЭ общей мощностью 100 МВт в других областях Кыргызстана.

В марте 2024 года «Росатом Возобновляемая энергия» подписал соглашение о проработке и реализации инвестиционного проекта по строительству объектов возобновляемой энергетики мощностью до 1 ГВт с Министерством энергетики Кыргызстана. В том же месяце около Иссык-Куля начались ветроизмерительные работы. В сентябре 2024 года возле села Кок-Мойнок-Первое (Иссык-Кульская область) была торжественно заложена капсула, символизирующая начало работ по созданию ветропарка. В декабре 2024 года компания и Министерство энергетики Кыргызстана заключили инвестиционное соглашение о строительстве и эксплуатации ВЭС установленной мощностью 100 МВт возле села Кок-Мойнок-Первое и продаже ее электроэнергии. До конца этого года должны начаться проектные работы по строительству ветропарка.

Кроме того, в Казахстане прорабатывается проект ВЭС мощностью 100 МВт. В первом полугодии 2025 года был установлен ветроизмерительный комплекс, разработана схема выдачи мощности и выделен участок под проектно-изыскательские работы. До конца 2025 года планируется завершить разработку и согласование соглашения о гарантированной поставке электроэнергии, а также определить основные параметры участия в проекте.

Магнитная цепочка

Кооперационные цепочки внутри «Росатома» пополняются новыми звеньями. Так, «Росатом Возобновляемая энергия» использует постоянные магниты в генераторном блоке, они нужны для безредукторных ветроустановок.

Производство таких магнитов на базе неодим-железо-бора создает компания «Росатом МеталлТех» (входит в Топливный дивизион «Росатома»). Проект продвигается: готовится инфраструктура (водоснабжение, водоотведение и проч.) будущего завода на площадке промышленного парка Глазова. Затем начнется строительство производственного комплекса.

Неодим для магнитов будет выпускать Соликамский магниевый завод (СМЗ), который входит в Горнорудный дивизион «Росатома». Пока СМЗ выпускает только коллективные концентраты редкоземельных металлов (к их числу относится и неодим), а нужны индивидуальные. В настоящее время на СМЗ идут инженерные изыскания для размещения нового передела: анализируются грунты, воздействие на окружающую среду и проч. Параллельно идет проектирование. Уже разработаны аппаратурно-технологические схемы, предварительное компоновочное решение по размещению оборудования, выполнен 3D-макет здания главного производственного корпуса и вспомогательных зданий, обсуждаются решения по прокладке инженерных сетей. 

Предыдущее звено, Ловозерский горно-обогатительный комбинат, также входит в Горнорудный дивизион «Росатома». Там производят лопаритовый концентрат, который затем отправляют на СМЗ на переработку.

Звенья, которые достраивает «Росатом», работают не только на технологические цепочки внутри отрасли, но и для внешних клиентов: магниты предполагается использовать в различных двигателях, разделенные РЗМ — для нужд примерно десятка отраслей, стеклокомпозиты — в судостроении, строительстве и проч.